智能時代計算機基礎“金課”建設實踐與思考

吳 茜，吳澤志

(安徽醫科大學 人文醫學學院，合肥 230032)

2013年，德國首次提出工業4.0時代，意味著以人工智能和大數據為核心的第四次科技革命和產業變革浪潮奔騰而至，也就是智能新時代的到來。智能時代是一個新時代，更需要復合型創新型人才[1]，這就需要再認識、再定位、再強化高等教育，加快高校課程改革。在智能時代的背景下，建立一流課程，設置一流專業，培育一流人才，全面振興本科高等教育已在國家層面頂層設計。

課程是高等院校人才培養的關鍵要素，2018年教育部部長陳寶生在新時代全國高等院校本科教育工作會議上首次提出高校課程“金課”概念。隨后，教育部印發《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》[2]，第一次將“金課”寫入教育部文件，要求高等院校全面梳理各個專業課程的教學內容，淘汰“水課”、建設“金課”，切實提高課程教學質量。教育部吳巖司長在中國大學教學論壇上指出 “金課”的“兩性一度”標準[3]。所謂“金課”，即一流課程。此后，涌現出一大批國家級、省級在線精品課程，在線“金課”突破了時空限制，提高了教育資源的均衡性。

計算機基礎作為非計算機專業本科生的必修課程，在智能時代應充分發揮出其培養學生計算思維和計算機應用能力的作用，培養學生利用互聯網、計算機、大數據、云計算、人工智能等智能時代先進技術解決問題的能力，將現代技術與專業深度融合，利用先進技術解決專業領域問題，是現實多學科交叉融合、培養新時代復合型人才的重要課程[4]。但是現如今計算機基礎課程內容陳舊、形式單一，缺乏高階性、挑戰度，無法滿足智能時代對計算機應用能力的需求。因此，面向智能時代的計算機基礎“金課”建設是值得不斷探索與深入思考的問題，也是課程教學研究的重點、難點。

在教學改革與實踐過程中，教學組對計算機基礎“金課”建設作出了總結與思考：在教學目標上要具有高階性，教學內容具有前沿性，教學方式具有互動性，教學效果具有個性化，課程整體要有挑戰性。具體來講，計算機基礎“金課”旨在培養計算思維能力、深度學習能力和創新能力，在原有計算機基礎知識基礎上，增加大數據分析、深度學習概述等前沿知識，從線下、線上線下混合、實踐三個層次使學生由淺入深地主動探究計算機基礎課程內容，促進學習者從低層次的淺層學習上升到高層次的深度學習。

1 淘汰大學計算機基礎“水課”

隨著互聯網、計算機、大數據、云計算、人工智能等先進科學技術手段的迅速發展與廣泛應用，新工科、新醫科對計算機應用能力的水平要求越來越高,對計算機現代化技術的依賴性與需求日益增強。大學計算機基礎是非計算機專業本科生入校后接觸到的第一門計算機通識課程，其重要性已突顯。在課程建設中既要保持教學內容的經典性同時要更新前沿知識，使課程具有挑戰度。縱觀大學計算機基礎課程20余年來發展歷程，從1997年以普及計算機文化知識為目標的三層次計算機文化基礎，到2004年以培養計算機應用能力為目標的大學計算機基礎，再到2010年以計算思維為導向的大學計算機課程設置，大學計算機基礎已經歷了3次重大課程改革。當前以大數據、互聯網、人工智能為代表的科技革命和產業變革浪潮奔騰而至，已進入智能時代，高等教育必將進入“多樣化、個性化、學習化、現代化”為特征的新階段[4]，大學計算機基礎課程也應適應時代發展與變化。傳統“三中心”教學以教材、教師、教室為中心，采用“教師講、學生聽”的單一課堂教學方式具有以下缺陷：一是灌輸式教育，教師單向傳遞、灌輸知識，學生在課堂中的思維方向、思考內容仿佛有一條無形的繩索牽引、制約著，使得學生的主動學習思索能力、個性化展現都受到抑制，不能很好地調動學生的積極性、主動性、創造性。二是傳統教學缺乏老師與學生、學生與學生之間的互動、交流，課堂氛圍一般較為沉悶、無趣，師生間缺乏了解與溝通。三是教師重科研輕教學的態度直接影響教學效果，經過座談與交流發現，一部分同學認為沒有“水課”，只有“水老師”。教學內容陳舊，不具前沿性、挑戰度和吸引力，教師在教學內容更新上花費的時間和精力過少。四是理論與實踐相結合的教學方式看似合理，但實踐方式過于單一化、陳舊化，實踐內容簡單、無趣，學生缺乏創新能力的訓練與培養以及主動探索知識的熱情與勇氣。這些弊端將導致學生主動學習能力、創造能力的丟失，學習能力與創造能力恰恰是高等教育人才培養的關鍵所在。

2 智能時代“金課”建設路徑探索

近些年來國家推出了一系列人工智能在教育應用中的戰略部署與行動規劃。2017年，國務院發布《新一代人工智能發展規劃》[5]，提出智能教育成為人工智能一個發展方向。2018年，教育部頒布《高等學校人工智能創新行動計劃》[6]和《教育信息化2.0行動計劃》[7]，標志著智能時代下教育改革的開始。2019年，黨中央、國務院發布《中國教育現代化2035》[8]，明確指出信息化時代教育變革是推進教育現代化建設的十大戰略任務之一。智能時代背景下，知識獲取的途徑和學習模式都已發生了質的變化。智能時代“金課”建設與發展關鍵點是考慮如何借助現代工具加快高等院校新時代人才培養模式改革，實現“以學生為中心”的主動學習與以“創新能力培養為目標”的深度學習。

實現以學生為中心的主動學習方式是教育教學的重要改革，也是“金課”建設目標之一。從傳統在課堂上以教師為中心、教師“滿堂灌”講授，轉變為教師把控課堂，掌握教學節奏與方向，給出問題或知識點，指導同學們主動學習、甚至可以提出問題的教學方式，學生主動學習應經歷一個再認識、再討論、再提升的螺旋漸進式知識獲取過程。

實現以“創新能力培養為目標”的深度學習是對教學的高階要求。依據布魯姆提出的認知維度教育目標層次劃分理論，知識獲取分為識記、理解知識的淺層學習和應用、分析、綜合、評價知識的深度學習[9]。從哲學角度來看，人類活動都具有表層屬性和深層屬性雙重層次，不能只把握活動表層屬性，而應深入挖掘活動背后的本質屬性，對于教學亦是如此；如果說以學生為中心的自主學習是為了使學生掌握知識點、識記知識的淺層學習，那么深度學習的目的是對知識進行應用、分析、綜合、評價，培養學生深度學習能力和創新能力。淺層學習和深度學習之間相輔相成，兩者構成了“金課”建設的雙重目標。

3 基于慕課的線上線下混合“金課”

為實現大學計算機基礎“金課”建設，培養新時代大學生計算思維能力、深度學習能力和創新能力，課題組申請省級質量工程項目，建設大學計算機和計算機應用兩門大規模在線課程(MOOC)，建立基于慕課的線上線下精品課程。在新冠疫情常態化狀態下，在線精品課程發揮了其不受時間空間阻隔的優勢，學生在網絡流暢的情況下可以隨時隨地自主學習，實現個性化學習。線上線下混合“金課”將有望成為未來精品課程建設的主要途徑。其中基于慕課的翻轉課堂(Flipped Classroom)是最具有代表性的線上線下混合教學方式。翻轉課堂于20世紀90年代初在美國興起[10]，它重構知識獲取、知識傳授和知識應用的時空順序，將教學分為課前線上自主學習階段，課中討論、探究等線下學習階段和課后以項目等綜合練習形式開展的鞏固復習階段。根據課題組近些年來的實踐與總結，基于慕課的翻轉課堂在實施過程中不僅僅是遵循課前、課中、課后簡單的教學順序變化，而且需要按照前文中闡述的“金課”建設路徑，以實現課程教學雙重目標，即通過課前和課中學習完成知識點、技能、方法等知識的理解、識記，以“學生為中心”的主動學習方式實現知識的淺層學習，進而通過課后鞏固復習達到運用知識解決實際問題的高階能力，實現培養學生創新能力的深度學習。

(1)課前線上自主學習階段。如何建立基于慕課的線上線下混合“金課”？首先要摒棄灌輸式教育,學生新知識的獲取不再完全依賴課堂教師講授的單一方式,而是將知識點以慕課的方式上傳到網絡中供學生課前自主學習,學生自主學習建議在老師的指導和安排下進行。因此課前學習活動效果取決于三個因素，一是教師的指導性，二是學生的主動性，三是慕課的質量和效果。基于慕課的線上課程設計應考慮以下幾點：①課程采用以問題為導向的講授方式，按照知識點組織教學內容，時長在5～15分鐘左右，由于計算機類課程內容較多，時長一般在10～15分鐘左右。②課程內容包括經典內容和前沿內容，應定期完善、更新，同時要考慮趣味性和新穎性，例如計算機應用課程慕課，在講解計時器控件時，首先設計一個氣球按照一定時間間隔不斷上升案例，案例具有一定的趣味性，以案例分析的方式引入計時器控件相關知識。③教師要關注學生自主學習過程中的留言、討論，搜集課前學習問題，并進行分類和匯總，整理出相應知識點。課前線上自主學習很容易出現將傳統的“教師講，學生聽”的授課形式轉變成學生在網絡上聽老師講的“滿堂灌”情況，所以教師在慕課內容安排上要下功夫，一般采用案例或問題作為引入，讓學生在線上學習過程中帶著問題積極思考、主動學習。

(2)課中線下教學活動階段。“以學生為中心”的主動學習,受到自身經驗和認知能力的制約,學生很難完全把握住重難點知識，很難將習得的知識點、技能、方法等貫穿起來，甚至出現偏離知識本身的含義或出現理解上的偏差，這些都是自主學習中很正常的事情。所以基于識記、理解的淺層學習也不是單純通過課前學習就可以完成，也是一個再認識、再討論、再提升的螺旋漸進式學習過程，并通過課中線下討論、交流、探究等方式加深、更正、甚至重新認識課前自主學習知識。課中線下學習活動設計應考慮以下幾點：①要建立一個良好的課堂學習氛圍。好的課堂氛圍需要師生間多溝通，產生情感共鳴。②教師搜集學生課前學習問題，加深對學生的了解，同時一部分學生應能夠基于課前學習提出經過思考后的高階問題，形成具有難易梯度的問題集，課堂中師生間能產生問題共鳴。③教師角色從“表演者”轉換成“指揮者”，仍然以學生為中心，課堂教學以交流、討論、問答、探究等互動開放式教學為主，促進學生對自主學習內容的再認識、再提升。線下教學在教師主導下，加深學生對知識的理解和識記，并認識知識點所延伸的科學概念，逐漸將淺層學習上升到深度學習。因此課中線下學習活動是一個必不可少的教學環節，不能因為豐富的線上教學資源而忽略或輕視線下教學，在混合教學設計中，線下教學目標、形式發生了變化，其重要性有增無減。

(3)課后復習與實踐階段.課后復習是對前兩個階段學習內容的提升，按照國內外的經驗介紹和本課題組的實踐經驗總結，該階段主要采用項目訓練方式組織實施，并建議以帶領部分學生參加專業類競賽形式進行高階訓練，將前兩個階段掌握的知識應用于實踐，發展學生創新能力和高階能力等深度學習能力。“深度學習不僅意味著通過練習學生已有的認知結構達成對知識的理解，還意味著理解的知識是可遷移的——即在新的環境中創造性地應用所習得的知識來解答未知的真實問題。”[11]課后復習過程實質上是教學實踐能力訓練，項目設計要注意實用性、趣味性、專業性，且層次分明能適應學生的個性化學習。通過課前、課中、課后三個教學活動階段進階學習，完成“金課”建設的雙重目標，即通過課前線上學習和課中線下學習實現以知識識記和理解為主的淺層學習，進而通過課后復習以實現發展學生高階能力、創新能力為目標的深度學習。

4 大學計算機基礎課程教學實踐與思考

(1)教學內容具有先進性。2013年,采用問卷調查、座談交流以及教學過程中的溝通總結等形式，教學組對大學計算機教學目標、教學內容進行了教學改革，教學目標從過去“培養計算機基本應用能力”進一步改為“培養用計算思維解決問題的能力”，注重計算思維能力的養成。此后，在教學實踐中不斷根據專業特點和需求，修訂、完善大學計算機課程教學大綱；2018年，隨著大數據、云計算、人工智能等新技術的蓬勃發展，教學組對大學計算課程進行第二次教學改革，在原有經典課程內容的基礎上增加大數據、云計算以及人工智能概述等前沿性教學內容，并制作大學計算機慕課，進行基于慕課的線上線下混合教學改革與實踐，提出以“培養計算思維能力、創新能力、深度學習能力”為目標的大學計算機課程教學設計。

(2)與專業相結合。智能時代的各學科人才培養中，大學計算機作為非計算機專業的計算機公共課程，培養學生利用計算機、大數據、數據處理工具、人工智能、互聯網等解決專業問題或與專業相結合進行的創新創業設計能力。利用先進技術更方便、準確、快速地解決現實問題，這是培養新時代優秀大學生的目標。為此，在大學計算機“金課”建設中，應充分考慮專業特點與需求，在課程內容中設計特定案例和應用場景，例如醫學影像專業課程設計中增加利用人工智能進行細胞分類或組織分割等應用案例，介紹計算機先進技術在醫學影像中的應用，并可安排相關實驗，讓學生應用先進技術解決專業問題。醫學信息工程專業設計中增加PACS系統和HIS系統的介紹與計算機網絡知識。課題組在教學中不斷充實、完善教學案例，目前針對不同專業共搜集案例50例，通過這些案例將專業需求和應用融合到大學計算機課程中，培養學生計算思維能力和深度學習能力。

(3)重視學科競賽。自2013年以計算機思維能力培養為目標的教學改革以來，教學組連續8年帶領非計算機專業學生參加計算機設計大賽，已形成競賽團隊，取得了不俗的成績，共獲得國家級一等獎8項，國家級二等獎16項，國家級三等獎20余項以及省級獎項50余項，學生的積極性非常高。從教學效果看，通過參賽充分調動了學生的聰明才智、發揮專業或業余特長，讓學生主動學習，并能將教學內容應用于實踐，達到了創新能力和深度學習的教學目標。因此，在教學過程中鼓勵、帶領學生挖掘潛能，將所學知識與專業或特長相結合，這是培養創新能力和深度學習能力的極好方式。針對不同專業的學生，其專業優勢應在教學中充分發揮，尤其通過競賽的方式能更好體現[12]，例如生物醫學工程專業學生對人工智能、大數據有一定的編程基礎和實驗條件，帶領他們組隊參加人工智能或大數據類別的計算機設計大賽；臨床醫學專業學生對醫學有著更專業的知識背景，針對新冠疫情，制作關于疫情背景、防護等科普視頻，參加多媒體視頻類別的計算機設計大賽。“以賽促教，以賽促學”是我們多年來一直踐行的教學模式，它不僅能夠激發學生的潛力，同時也能夠促進教師不斷學習新知識、掌握新方向、保持與時俱進的狀態，是大學計算機“金課”建設的有效手段。

(4)鼓勵學生申報創新創業訓練項目。在“以賽促教，以賽促學”教學模式取得良好教學效果的基礎上，教學組積極鼓勵有能力的同學參加大學生創新創業訓練項目。從選擇項目題目與研究方向、書寫項目申請書、參與項目研究到項目結題，這一系列過程使得學生掌握基本的科學研究方法。自2016年以來，教學組指導學生申報國家級創新創業項目2項，省級創新創業項目10余項，校級創新創業項目10余項。從教學效果上來看，參與項目研究過程對學生計算機應用能力和創新能力有很大促進作用。

2018年，通過發放問卷調查、座談交流和教師自身教學總結3種方式，教學組對基于慕課的大學計算機線上線下混合教學效果進行了調查研究，98%的學生對混合學習方式持肯定態度，認為基于慕課的混合教學模式在知識的獲取方式、交流互動、主動學習、計算思維、創新意識培養等方面較傳統單一面授方式有較大提高；教師也認為基于慕課的混合教學方式讓老師和學生之間的交流更多，教師的價值感和存在感更強，促進教師自我提升，同時教學效果和教學質量都有大幅提升。2019年，教學組對部分專業不同班級采用難度相當的試卷為樣本進行測試，通過成績對比可以看出，參與線上線下混合教學的學生平均成績較傳統教學學生提高20.82%，尤其是對主觀題，需要發揮學生思考和應用分析能力的情況，參加混合教學的學生成績提高近50%，教學效果提升更加明顯。

5 總結

隨著智能時代的到來和豐富而優秀的在線教育資源,高等學校建立線上課程自主學習與線下課堂面授教學相結合的混合“金課”，重視師生間的“情感共鳴”“問題共鳴”，以案例、問題引導，討論、合作，項目、競賽、創新訓練等方式，實現“以學生為中心”的淺層學習和“培養學生創新能力”的深度學習，重視學生高階能力的培養。在智能時代，大學計算機作為非計算機專業學生接觸信息化知識的必修課，擔負著培養學生計算思維、創新意識和高階學習能力的使命，培養新時代復合型創新人才。大學計算機基礎“金課”建設采用基于慕課的線上線下混合教學模式，從課前線上自主學習、課中課堂面授教學和課后復習活動三個層次展開教學活動，結合多年來教學實踐與思考，在教學中注重教學內容的先進性與高階性，將大學計算機知識與專業背景相融合，充分發揮專業知識和特長，“以賽促教，以賽促學”，并鼓勵學生參與項目研究，在實踐中激發學生的潛能和創新能力。